高速データセンター時代の高温を克服する光トランシーバモジュール

人工知能（AI）と大規模言語モデルの急速な進歩により、データセンターやAIクラスターにおける高速光トランシーバーモジュールの需要がかつてないほど急増しています。これらのモジュールの動作速度は、エントリーレベルのデータセンターアプリケーションに適した100Gbpsから、現在のAIクラスターで一般的に採用されている400Gbpsへと大幅に向上しています。さらに、高需要アプリケーションでは800Gbpsへの高速化が推奨ソリューションとして台頭しており、次世代AIワークロードを支える1.6Tbpsを超える速度の実現も期待されています。そのため、効率的な熱管理は、性能、信頼性、そしてエネルギー効率を確保する上で極めて重要です。

伝送距離が長くなるにつれて、正確な温度安定性がますます重要になります。光トランシーバーモジュール、特に長距離用途向けに設計されたモジュールでは、レーザー光源の安定性と性能を維持するために、厳密な温度制御が求められます。これらのモジュールは、データ伝送にレーザーダイオードを使用していますが、レーザーダイオードは本質的に温度変化に敏感です。わずかな温度変動でも信号劣化や信頼性の低下につながる可能性があります。現在、AIやデータセンター運用のダイナミックな需要に押され、メーカーは以下のような様々な熱に関する課題に直面しています。

モジュールの電力要件が継続的に増加する。

厳格なサイズ制約。

モジュールの熱制限に近いこと。

速度が 400 Gbps から 3.2 Tbps に拡大するにつれて、信号対雑音比 (SNR) 予算が徐々に厳しくなる。

強力な冷却と安定した温度維持の必要性。

すべてのコンポーネントが電力効率の高い方法で動作する必要性。

レーザーダイオードと光トランシーバシステム全体の最適な性能を維持するには、精密な温度制御が不可欠です。レーザーダイオードの性能は、温度、電流、光出力といった複数の要因によって左右されます。温度変化はレーザーダイオードの電気的特性と光学的特性の両方に影響を与え、性能と動作寿命に悪影響を及ぼす可能性があります。動作条件が最大許容範囲を超えると、熱抵抗の増加と電流利得の低下により性能が低下します。さらに、温度上昇はレーザーダイオードの波長シフトを引き起こし、性能と信頼性の両方に悪影響を及ぼす可能性があります。このようなシフトは深刻なクロストークを引き起こし、極端な場合にはダイオードの故障につながる可能性があります。

例えば、分布帰還型（DFB）レーザーダイオードは、通常、約1260～1650nmの波長範囲で光を放射します。温度上昇により、ピーク波長は0.1℃あたり約XNUMXnmシフトする可能性があります。熱電冷却器（TEC）は、効率的に熱を放散し、安定した温度環境を維持することで、信頼性の高い温度安定性を確保するという重要な役割を果たします。この安定化は、信号品質を向上させるだけでなく、光トランシーバーモジュールの動作寿命を延ばすことにもつながります。

温度変動に関連するもう一つの差し迫った懸念事項はクロストークです。これは、長距離で高帯域幅を必要とする通信リンクにおいて特に重大な問題となります。例えば、超大規模データセンターでは、複数のデータストリームを並列に結合して光ファイバーのデータスループットを向上させるために、波長分割多重（WDM）方式がよく採用されています。

さらに、レーザーダイオード技術の進歩は、熱管理ソリューションの同時進化を必要とします。データスループットの増加と相互接続ポイント間の距離の拡大に伴い、レーザーダイオードはより大きな熱負荷にさらされます。この負荷増大により、これらのダイオードのパッケージには、敏感な電子部品から熱エネルギーを抽出するための強化されたヒートポンプ機能が組み込まれる必要があります。この熱を効率的に排出するには、より高い充填率とより薄型のフォームファクタを備えたマイクロTECが不可欠です。これらは、厳密な波長制御と温度安定性を維持しながら効率的な動作を確保する上で不可欠です。

マイクロTECには、小型化により温度変化への迅速な応答が可能になり、レーザーダイオードの性能と信頼性が向上し、消費電力を抑えながら経済的な大量生産が可能になるなど、いくつかの利点があります。革新的な熱電材料と高精度製造技術の登場により、マイクロTECの小型化がさらに進みました。これらの進歩により、熱安定性を損なうことなくレーザーダイオードのパッケージを小型化することが可能になり、光通信システムにおいて極めて重要な要素である温度変化への迅速な応答が確保されます。効率の向上に加え、高スループットと製造コストの削減というメリットも相まって、性能向上とシステム全体のコスト削減に直接貢献します。

Laird社の新製品OptoTEC MBXシリーズをはじめとするマイクロTECソリューションは、レーザーダイオードの精密な温度安定化を目的として設計されています（図2参照）。超小型のMBXシリーズは、小型フォームファクタ、消費電力の低減、信頼性の向上、そして経済的に有利な量産性といった特長を備え、現代のレーザーダイオードアプリケーションの要求を満たします。これらの特性は、性能向上だけでなく、レーザーダイオードの信頼性と動作寿命の延長にもつながり、次世代通信アプリケーションにおけるイノベーションを促進します。

光トランシーバー モジュールが進化し続けるにつれて、TEC サプライヤーは、パフォーマンスを犠牲にすることなくコンパクトな形状に対応する、より小型で薄型、かつ形状に適応性の高いソリューションを設計しています。

マイクロ TEC の主な設計上の考慮事項は次のとおりです。

十分な冷却能力: デバイスは、1 ～ 3 ワットの電力範囲内で動作する光モジュールを効率的に管理できる必要があります。

コンパクトな寸法: TEC は、効果的な冷却性能を実現しながら、トランシーバー モジュール内に収まる合理化されたフォーム ファクターを備えている必要があります。

大量生産可能性：設計はスケーラブルな製造・組立プロセスを容易にし、生産コストの削減と歩留まりの向上を実現します。これにより、TECを大規模展開に向けて確実かつ経済的に製造できるようになります。

人工知能（AI）の普及により、より高速で効率的なデータ伝送への需要が高まり続ける中、光トランシーバー市場は継続的な成長とイノベーションを経験すると予想されます。急速に進化するAIおよびデータセンター技術において、カスタマイズされた熱電冷却ソリューションは、これらの重要なコンポーネントの性能と信頼性を維持する上で重要な役割を果たすでしょう。